本文討論了自然界中普遍存在的多孔介質(zhì)和毛細(xì)流動現(xiàn)象，提細(xì)胞流體學(xué)的概念，即一個基于單位細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)平臺，用于多相流動、運輸和反應(yīng)過程的確定性控制，并展望了其廣闊的應(yīng)用前景。
自然界中有很多通過進化優(yōu)化的多相傳輸和反應(yīng)過程的例子，這些現(xiàn)象發(fā)生在多個長度和時間尺度上，通常包括多孔介質(zhì)中的氣-液-固界面和毛細(xì)現(xiàn)象。多孔介質(zhì)和毛細(xì)流動在自然界中無處不在，對生物和生命系統(tǒng)的功能至關(guān)重要，其中植物是*典型的例子。
植物根部包裹在土壤中，土壤是一種多孔介質(zhì)，其中地下水從潮濕區(qū)域分布到干燥區(qū)域。土壤中的顆粒堆積和液固界面影響?zhàn)B分溶解到周圍液相中。通過植物根部吸收的水和養(yǎng)分沿著木質(zhì)部組織運輸?shù)街参锏娜~子。葉子含有稱為氣孔的孔，可促進氣體和液體與周圍環(huán)境的交換。蒸騰過程由葉子中的水蒸發(fā)驅(qū)動，為水的連續(xù)毛細(xì)管傳輸創(chuàng)造了潛在的梯度。此外，用于光合作用的二氧化碳吸收和氧氣分解吸發(fā)生在葉片界面上。
天然存在的多孔介質(zhì)非常豐富，范圍從有機物到無機物——例如，土壤、巖石、海綿、木材、骨骼、肺和腎臟。它們的合成對應(yīng)物在商業(yè)和技術(shù)上都很重要，而且種類數(shù)量眾多，例如，紙張和吸收劑、編織和無紡材料、陶瓷和混凝土、過濾器和分離介質(zhì)，以及組織支架和人造器官。然而，由于建模、材料和制造方法的限制，自然的復(fù)雜性和功能性，尤其是在流動、運輸和反應(yīng)方面，仍然是****的。迄今為止，對流體過程的控制一直是這個新興領(lǐng)域的一個未充分探索的領(lǐng)域，開孔結(jié)構(gòu)材料在控制多相傳輸和氣-液-固界面方面的全部潛力尚未實現(xiàn)。
Nikola A. Dudukovic等人提出了一個稱為細(xì)胞流體學(xué)的概念，這是一個基于單位細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)平臺，用于多相流動、運輸和反應(yīng)過程的確定性控制。他們證明了這些結(jié)構(gòu)中的流動可以通過細(xì)胞類型、大小和相對密度的架構(gòu)設(shè)計進行“編程”。通過結(jié)構(gòu)化細(xì)胞材料的設(shè)計和制造，加上多相界面穩(wěn)態(tài)和動態(tài)行為的分析和數(shù)值預(yù)測，可以提供三個維度的流體傳輸?shù)拇_定性控制。這項研究將細(xì)胞流體技術(shù)視為傳統(tǒng)（微）流體技術(shù)的補充平臺，可以很容易地擴展到廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
為了了解多細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的流動，研究人員模擬了一個由五個堆疊的 BCC 單位細(xì)胞組成的列中的液體進程。前進氣液界面的形狀和演變是復(fù)雜的，具有動態(tài)形成的凹凸特征。填充單個晶胞的總時間隨著液體沿柱向上移動而增加，因為受重力影響的液體體積增加，*終在達(dá)到力平衡時停止。
盡管基于毛細(xì)管流動或靜態(tài)液體封閉有多種可能的用途，但細(xì)胞流體學(xué)的廣泛潛力是通過實施主動驅(qū)動的連續(xù)流動來實現(xiàn)的。研究人員通過控制細(xì)胞的類型、大小和相對密度，可以將流體流動的優(yōu)先路徑編程到架構(gòu)中。
建立在用于規(guī)定液體和氣體輸送的基于細(xì)胞的平臺上，復(fù)雜的細(xì)胞流體配置由新興的3D 打印技術(shù)實現(xiàn)，這些技術(shù)可以在宏觀區(qū)域和體積上快速圖案化微米和納米級特征，并可實現(xiàn)可擴展的、批量的生產(chǎn)。這種新型材料具有許多可能的設(shè)計自由度：它可以是單細(xì)胞或多細(xì)胞、1D 到 3D、同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)等，細(xì)胞流體學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域同樣廣泛，包括吸收、蒸騰、混合、提取、沉積和反應(yīng)等功能。將分析建模和數(shù)值模擬與實驗演示相結(jié)合，揭示了 3D 中的流體傳輸，并將解鎖以前無法獲得的結(jié)構(gòu)、機械、化學(xué)、熱和其他功能特性的組合。因此，細(xì)胞流體學(xué)可能為多相現(xiàn)象開辟了一個廣闊的新設(shè)計前沿。對于細(xì)胞流體學(xué)來說，應(yīng)用范圍有著無限的想象空間。設(shè)想一個重要的用例是在空間中控制液體的輸送，其中低重力和零重力條件允許表面張力驅(qū)動的流動以更大的孔徑和更長的長度尺度發(fā)生，從而實現(xiàn)諸如液體處理、燃料和氧化劑分配，以及診斷設(shè)備操作。（生物谷 bioon）
